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生物大分子的电镜三维结构  061M5014H

学期:2016-2017学年秋 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:孙飞等
课程编号: 061M5014H 课时: 40 学分: 3.0
课程属性: 专业普及课 主讲教师:孙飞等
英文名称: Three dimensional electron microscopic reconstruction of biological macromolecules

教学目的、要求

生物大分子电子显微三维重构技术作为结构生物学的三大研究手段之一,在近十年来得到了长足的发展,已经成为研究生物大分子特别是生物大分子复合体三维结构的重要手段,是从事结构生物学研究的必要手段。作为一项前沿技术,我国尚没有系统地讲述该技术的课程和书籍,而我国在这个研究领域的投入巨大,已经有相当数量的研究人员在从事生物大分子电子显微三维重构研究,青年学生迫切需要系统学习和掌握这一技术方法。本课程的开设就是从这一背景下出发的,将从电子显微成像原理、生物样品成像本质、三维重构原理、电子显微三维重构方法和图像处理方法等方面对生物大分子的电子显微三维重构技术进行系统的讲述。本课程的教学重点是一、生物样品的电子显微成像本质;二、单颗粒三维重构图像处理和分析技术。通过对本课程的系统学习,学生可以深入理解电子显微镜在研究生物大分子复合体三维结构方面的优势、特点和前景,准确掌握生物大分子电子显微三维重构的技术方法,并利用该技术从事相关结构生物学研究。本课程要求学生事先掌握一些关于光学、傅里叶变换、线性代数和生物大分子结构方面的基本常识。

预修课程

预备常识:结构生物学导论、线性代数、数值分析、普通物理学 授课对象:研究生和电镜结构生物学方面的初学者

教 材

Joachim Frank. Three-Dimensional Electron Microscopy of Macromolecular Assemblies. Oxford University, Oxford, 2006.

主要内容

内容提要: 一、生物大分子电子显微三维重构概论(3学时) 朱平
a. 结构生物学概述
b. 电子显微三维重构发展历史
c. 电子显微三维重构技术方法、应用与前沿
二、傅立叶变换(3学时) 章新政
傅立叶级数与傅立叶变换
b. 离散傅立叶变换与快速傅立叶变换
c. 振幅与相位
d. 卷积与相关、卷积定理
e. Shannon-Nyquist采样定理、Nyquist频率
f. 傅立叶变换的插值
g. 滤波
三、电子显微成像原理(6学时) 章新政
a. 电子显微镜基本构造
b. 电子与生物样品的相互作用(弱相位近似)与成像衬度的产生(振幅衬度与相位衬度)
c. 几何电子光学与像差(球差、像散、慧差、色差)
d. 电子波动成像原理(Huygen原理、Fresnel衍射、Fraunhofer衍射)
e. 衬度传递函数、点分辨率、信息极限
四、透射电镜成像技术与要素(6学时) 孙飞
a. 透射电子显微镜的合轴
b. 聚焦技术(离焦、过焦、正焦、消像散;相位板技术)
c. 低剂量成像技术(辐射损伤、剂量、自动化)
d. 探测器(胶片、CCD、DED;DQE,MTF)
e. 电子显微照片的质量评价
五、生物电镜样品制备技术(3学时) 朱平
a. 生物大分子高分辨率电镜成像的样品要求
b. 负染色技术
c. 冷冻玻璃化技术
d. 细胞和生物组织的制样技术
六、单颗粒三维重构技术(6学时) 孙飞
a. 单颗粒分析技术流程
b. 颗粒挑选、衬度传递函数矫正和滤波
c. 二维图像分析与分类(K-means分类、多级递增分类、自组织图)
d. 三维重构数学原理(中央截面定理、Radon变换)与方法(WBP, SIRT/ART, FBP)
e. 颗粒取向求解和三维结构精修(等价线方法、随机锥体重构、投影匹配方法)
f. 三维结构后处理和评估(FSC曲线、Gold Standard、分辨率、温度因子校正、Tilt Pair Validation)
g. 统计学方法与三维结构分类
h. 重构App先容
七、电子断层三维重构技术(3学时) 朱平
a. 电子断层三维重构流程
b. 电子断层数据收集技术
c. 序列图像的对齐技术(mark-free and mark-based alignment)
d. 倾转系统的几何参数求解
e. 三维重构与去噪
f. 三维体数据分析与平均技术
g. 三维体数据的可视化与分割
八、电镜三维重构应用(6学时) 朱平(a-b),孙飞(c-e)
a. 病毒的结构研究
b. 大分子复合体的高分辨率结构研究
c. 大分子复合体的动态构象研究
d. 细胞内部环境的三维超微结构研究
e. 光电关联成像技术
九、上机实习(2学时) 孙飞 十、考试(2学时)
教学方式: 90%课堂授课+ 10%上机练习 考核方式:课后作业(20%)+考勤(10%)+课堂笔记(20%)+开卷考试 (50%)

参考文献

参考书:
1. R. Bracewell. The Fourier Transform and its Applications (3rd ed.). McGraw-Hill, NY, 1999.
2. J.W. Goodman. Introduction of Fourier Optics (3rd ed.). Roberts & Company Publishers, Colorado, 2004.
3. Ludwig Reimer and Helmut Kohl. Transmission Electron Microscopy: Physics of Image Formation, Fifth Edition, Springer, NY, 2008.
4. Michael F. Moody. Structural Biology Using Electrons and X-rays. An Introduction for Biologists. Elsevier, 2011.
5. Joachim Frank. Electron Tomography Methods for Three-Dimensional Visualization of Structures in the Cell. Second Edition. Springer.
6. 《病毒的电子显微学研究》,张景强主编,-北京:科学出版社,2011(生命科学实验指南系列) ISBN 978-7-03-031579-3

授课时间: 星期四, 第5、6、7节
授课地点: 教2-223
授课周次: 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18

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